Adaptive autonomous emergency braking system based on estimation of tire/road friction coefficient
Yol ve tekerlek arasındaki sürtünme katsayısının kestirimine dayalı uyarlamalı otonom acil frenleme sistemi
- Tez No: 553431
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM EKSİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
AEB sistemi bir aracın başka bir araca arkadan çarpmasını önlemek ya da bu tip bir kaza kaçınılmaz olduğunda meydana gelebilecek olan hasar ve yaralanmaları azaltmaya yönelik geliştirilmiş bir sürüş destek sistemidir. Bazı AEB sistemleri yayalar ve bisikletlilerle oluşabilecek kazalara karşı da tepki verebilmektedir. AEB sisteminin çalışabilmesi için öndeki araçlarla olan mesafenin ölçülmesi gerekmektedir. AEB sistemleri için genellikle radar sensörleri kullanılmaktadır. Radar sensörlerine ek olarak nesnelerin tanımlanabilmesini kolaylaştırması amacıyla kamera sensörleri de kullanılabilmektedir. AEB sistemi bir aracın başka bir araca arkadan çarpma riski oluştuğunda çarpışma uyarıları vermeye başlar. Eğer sürücü bu uyarılara karşı kaza riskini düşürebilecek herhangi bir tepki vermezse, AEB sistemi otonom olarak kısmı ve/veya tam frenlemeye başlar. Böylece sistem sayesinde aracın hızı düşürülmüş olur. Standart bir AEB sistemi hedef araçla olan mesafe ve bağıl hız değerlerini kullanarak çarpışmaya kalan süreyi sürekli olarak hesaplar. Sistem kısmı frenleme ve tam frenleme için iki ayrı çarpışmaya kalan süre - bağıl hız eğrisini kullanarak ilgili frenlemeleri başlatır. Sisteme gömülü olan çarpışmaya kalan süre - bağıl hız eğrisi kullanılarak araçlar arasındaki o anki bağıl hıza göre çarpışmaya kalan süre sınır değeri belirlenir. Hedef araçla olan anlık çarpışmaya kalan süre değeri bu sınır değerine eşit olduğunda ya da daha düşük olduğunda sistem frenlemeyi başlatır. AEB sistemiyle ilgili çeşitli yasal yönetmelikler ve standartlar mevcuttur. Bu yönetmelik ve standartlar sistemin nasıl çalışması gerektiğini ve sistemin geçmesi beklenen test senaryolarını tanımlar. Bu sistemle ilgili var olan yönetmelik ve standartlardaki testlerin yol tutuşunun yüksek olduğu kuru asfalt ya da beton yüzeylerde yapılması istenmektedir. Fakat gerçek hayatta, araçlar sıklıkla yol tutuşunun düşük olduğu kaygan yollarda da kullanılmaktadır. Bu durumda yolun kaygan olmasından dolayı araçların frenleme mesafesi artmaktadır. Standart AEB sistemleri tekerlek ve yol arasındaki sürtünme katsayısının değişiminin frenleme mesafesine olan etkisini dikkate almamaktadır. Bu tezin amacı tekerlek ve yol arasındaki sürtünme katsayısına göre çarpışma uyarılarının ve acil otonom frenlemenin zamanlamasını ayarlayacak uyarlamalı AEB sistemi geliştirmektir. Geliştirilen sistemin yürürlükte olan yönetmelik ve standartlarla da uyumlu olması amaçlanmıştır. Bu uyarlamalı sistemi geliştirmek için ilk olarak yol ve tekerlek arasındaki sürtünme katsayısının kestirimi üzerine çalışılmıştır. Tekerlek kayma oranı tabanlı bir kestirim yöntemi seçilmiştir. Yasal düzenlemelere göre AEB sistemi olan araçlarda ABS sisteminin de bulunması zorunludur. ABS sistemleri olan araçlarda tekerlek kayma oranını hesaplamak için gerekli olan sensörler bulunacağından dolayı, tekerlek kayma oranı tabanlı bir kestirim yönteminin seçilmesi mantıklı bulunmuştur. Kestirilen parametreler bir araç dinamiği denkleminin Yinelenen En Küçük Kareler algoritmasıyla çözülmesi sonucunda elde edilmektedir. Yinelenen En Küçük Kareler algoritması bir doğrusal denklemin ölçülen ve hesaplanan değişken arasındaki hatanın karelerinin toplamının minimize edilmesini sağlayacak şekilde yinelemeli olarak bilinmeyen parametre için çözülmesine dayalıdır. Tekerlek kayma oranı düşük ve aracın hareketi doğrusal iken, yol/tekerlek sürtünme katsayısı - tekerlek kayma oranı eğrisinin doğrusal bölgesinde bulunulmaktadır. Eğrinin bu bölgesinde eğim neredeyse sabittir. Tekerlek kayma oranı düşük iken eğrinin eğimi kestirilmektedir. Bu eğime kayma eğimi denilmektedir. Kestirilen kayma eğimi kullanılarak yol/tekerlek sürtünme katsayısı çıkarsanmaktadır. Tekerlek kayma oranı yüksek ve aracın hareketi doğrusal iken, doğrudan yol/tekerlek sürtünme katsayısı kestirimi yapılmaktadır. Kestirilen bu değer o yol ve tekerlek çifti için maksimum sürtünme katsayısı değerine oldukça yakındır. Sürtünme katsayısı kestiriminin yapılması için tekerleklere etki eden normal kuvvetinin hesaplanması gerekmektedir. Bunun için de aracın kütlesinin bilinmesi gerekmektedir. Ayrıca araç eğimli bir yolda ilerlerken tekerleklere etki eden normal kuvveti düz yolda tekerleklere etki eden normal kuvvetinden farklı olacağından dolayı yolun eğiminin de bilinmesi gerekmektedir. Kullanılan kestirim yöntemiyle sadece yol düz ve ya düze yakın olduğunda yapılan kestirim doğru olmaktadır. Belirtilen bu nedenlerden dolayı araç kütlesi ve yolun eğim açısının eş zamanlı olarak kestirilmesi üzerine de çalışılmıştır. Sürüş sırasında araç kütlesi çok değişmemektedir. Fakat yolun eğimi bir sürüş sırasında sürekli olarak değişebilmektedir. Bu nedenle kestirilen her bir parametre için ayrı unutma faktörlerine sahip olan Yinelenen En Küçük Kareler algoritmasının kullanılması mantıklı bulunmuştur. Bu yöntem sayesinde kestirilen parametrelerin unutma faktörlerine parametrelerin değişim hızı göz önünde bulundurularak bir değer atanabilmektedir. Araç kütlesindeki değişim az olacağından dolayı, unutma faktörüne yüksek bir değer atanması mantıklı olacaktır. Yolun eğimindeki değişimleri hızlı olarak yakalayabilmek için bu parametrenin unutma faktörüne düşük bir değer atanması mantıklı olacaktır. Çalışılan kestirim algoritmaları Matlab Simulink benzetim ortamında uygulanmıştır ve bu algoritmaların iş görürlüğü benzetim çalışmaları yapılarak test edilmiştir. AEB yazılımı Matlab Simulink ortamında geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılımın AEB sistemiyle ilgili var olan yönetmelik ve standartlara uygun olması sağlanmıştır. Geliştirilen kestirim algoritmaları AEB yazılımına entegre edilmiştir. Sistem kısmi ve tam frenleme için iki ayrı çarpışmaya kalan süre - bağıl hız eğrileri kullanmak yerine farklı sürtünme katsayısı değerleri için ayrı eğrilerin kullanılmasıyla uyarlamalı hale getirilmiştir. Bu eğriler kısmı ve tam frenleme kararının verilmesi için iki ayrı harita tanımlamaktadır. Bu haritalar kullanılarak kestirilen sürtünme katsayısı ve bağıl hız değerleri için çarpışmaya kalan süre sınır değerleri belirlenmektedir. Sürtünme katsayısı, araç kütlesi ve yolun eğiminin kestirimi belirli şartlar sağlandığında yapılmaktadır ve güncellenmektedir. Yapılan kestirimlerin geçerli kabul edilebilmesi için mutlak kestirim hatasının belirli bir süre boyunca bir eşik değerinden düşük olması gerekmektedir. Sürtünme kestiriminin yapılabilmesi için öncelikle aracın kütlesi ve yolun eğimi kestirilmelidir. Ayrıca sürtünme kestirimi sadece araç düz kabul edilebilecek bir yolda iken yapılmaktadır. Bu nedenlerden dolayı geliştirilen uyarlamalı AEB sisteminin geçerli bir sürtünme kestirimi yapılmadan tepki vermesi gerekebilir. Bu durumda, geliştirilen sistem standart bir AEB sistemiyle aynı şekilde tepki vermektedir. Eğer sürtünme katsayısı kestirilmişse ve bulunan değer düşükse, uyarlamalı AEB sistemi standart bir AEB sistemine göre daha erken uyarı vermektedir. Eğer sürücü uyarılardan sonra frenlemeye başlamazsa ya da direksiyon manevrasıyla engelden kaçınmazsa, uyarlamalı AEB sistemi standart bir AEB sistemine göre otonom frenlemeye daha erken başlamaktadır. Uyarlamalı AEB sisteminin yol/tekerlek sürtünme katsayısının düşük olduğu durumda standart bir AEB sistemine göre daha fazla hız düşümü sağladığı TORCS (The Open Racing Car Simulator) ve Simulink ortamında yapılan benzetim çalışmaları sonucunda kanıtlanmıştır. Yapılan test sonucunda geliştirilen sistemin çarpışma enerjisini yaklaşık %20 oranında azalttığı gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
AEB system is a driver assistance system that aims to prevent rear end collisions or to diminish the damages and injuries in case such collisions are inevitable. Rear end collisions are those collisions when a vehicle hits another vehicle from it's behind. Some systems are also able to react to VRUs such as pedestrians or cyclists. In case there is a risk of a rear end collision, the AEB system issues collision warnings to alert the driver to react to the risky situation. If the driver does not react, then the system autonomously starts partial braking and/or full emergency braking to slow down the vehicle. There are regulations and standards that define how the AEB system should operate and the test scenarios that the system should pass. The test scenarios defined by the existing regulations and standards include tests that are only conducted on good adhesion surfaces such as dry asphalt or concrete surfaces. But in real life, vehicles are driven on variety of roads with changing friction values. As the tire/road friction coefficient decreases, the stopping distance of a vehicle increases. So, the real life performance of a standard AEB system is greatly reduced when the vehicle which is equipped with a standard AEB is being driven on a low adhesion surface such as an icy road. The main purpose of this thesis was to develop an adaptive AEB system that adapts the timings of the collision warnings, partial braking and full emergency braking by incorporating the tire/road friction coefficient into it's decision making logic. For this purpose, wheel slip ratio based tire/road friction estimation algorithm is studied. According to regulations, the vehicle which is equipped with an AEB, should also be equipped with an ABS system. Since the vehicles with ABS systems have the necessary sensors to calculate the wheel slip ratio, it is found reasonable and easily applicable to use a wheel slip ratio based method for tire/road friction estimation. When the wheel slip ratio is low and the vehicle motion is purely or mostly longitudinal, then the tire is in the linear region of the tire/road friction coefficient - wheel slip ratio curve. In this region, the slope of the curve is nearly constant. So when the wheel slip ratio is low, the slope of this linear part of the curve is estimated. This slope is referred to as slip-slope in the literature. Value of the slip-slope is used to infer the tire/road friction coefficient. When the wheel slip ratio is high and the vehicle motion is purely or mostly longitudinal, then the tire/road friction coefficient saturates to a value which is close to the peak value of the tire/road friction coefficient - wheel slip ratio curve. When the wheel slip ratio is high, this saturated friction value is estimated. Estimation is obtained by the use of RLS algorithm with a forgetting factor. Vehicle mass is required for these estimations to be made. Also, it is observed from the simulations that when the vehicle is on an up-slope or on a down-slope, the estimations are affected because it causes the tire normal load to change. Due to these reasons, simultaneous vehicle mass and road grade angle estimation is also studied. The variation of the vehicle mass throughout a ride is low. On the contrary, the road slope can vary constantly. That's why RLS algorithm with multiple forgetting factors is used for vehicle mass and road grade estimations. This algorithm allows to have different forgetting factors for each of the estimated variables so that the forgetting factors can be set to a value which is coherent with the rate of variation of the estimated parameters. The effectiveness of the algorithms are tested by simulations made on Matlab Simulink environment. Finally, the AEB algorithm is developed and implemented by using Matlab Simulink. The AEB software is developed by taking the existing regulations and standards into consideration. Vehicle mass, road grade and tire/road friction estimation is incorporated into the developed AEB software. To prove the effectiveness of the proposed adaptive AEB software and to compare the system responses of the adaptive system with the standard system, TORCS (The Open Racing Car Simulator) environment is used. Simulations showed that the adaptive system is able to reduce the vehicle speed more than the standard non-adaptive system on a low adhesion surface. The reduction in the collision energy was nearly 20% for low adhesion road test.
Benzer Tezler
- Şerit takip desteği sistemi için fonksiyonel emniyet analizi
Functional safety analysis for lane keeping assistance system
EMİR KUDUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
- The performance analysis of variable time gap adaptive cruise control for different algorithms with model based feedforward control structure
Model tabanlı ileri besleme kontrol yapısıyla, farklı uyarlanabilir hız sabitleyiciler için değişken zaman açıklık algoritmasının performans analizi
ONUR EVİRGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU
- Functional safety analysis for advanced emergency braking systems
İleri acil frenleme sistemleri için fonksiyonel emniyet analizi
SEMİH UZUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU
- Collision avoidance and crash mitigation via intelligent steering intervention
Aktı̇f dı̇reksı̇yon müdahalesı̇ ı̇le kaza önlenmesı̇ ve çarpışma etkı̇sı̇nı̇n azaltılması
HASAN ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGEN AKALIN
- Çekici tip kamyonlar için dikey park algoritması geliştirme
Development of a perpendicular parking algorithm for truck-trailer
CENK SÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE